Лекция 2. Лекция 2. Измерение Роль измерений в познании окружающего мира и в практической деятельности
 Скачать 109.54 Kb.
|
|
Лекция №2.Измерение 2.1. Роль измерений в познании окружающего мира и в практической деятельности Измерение является основным понятием метрологии. Измерение – совокупность преимущественно экспериментальных операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить искомое значение величины. Это значение называют результатом измерения. Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом. Философский аспект заключается в том, что измерение является важнейшим универсальным методом познания объектов, процессов и явлений. Научный аспект измерений состоит в том, с их помощью осуществляется связь теории и практики, без них невозможны проверка научных гипотез и развитие науки. Технический аспект измерений - это получение качественной или количественной информации об объектах управления и контроля, без которых невозможно обеспечение заданных условий технологических процессов, качества продукции и эффективного управления процессами. Измерения сопутствуют человеку буквально на каждом шагу. В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с измерениями расстояний, масс, времени, температуры. Современная промышленность производит миллиарды измерений каждый день. Доля затрат на выполнение измерений составляет в среднем 10-15% общих трудозатрат, а в электронике – до 60-80%. О роли измерений в научных исследованиях достаточно определенно высказался Д. И. Менделеев: "Наука начинается … с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры". Необычайно широк спектр значений измеряемых величин. Например, расстояния (в метрах) измеряют в диапазоне от 10-10 до 1017, температуру (в кельвинах) – от 0,8 до 106, силу электрического тока (в амперах) – от 10-16 до 104, мощность (в ваттах) – от 10-15 до 109. Достигнутая точность уникальных измерительных систем поражает воображение. Лучшие национальные эталоны позволяют измерять интервалы времени с погрешностью, не превышающей 10-16 секунды. Это означает, что погрешность величиной в одну секунду сможет "набежать" не ранее чем через 320 миллионов лет! Такой уровень точности – не экзотика, он диктуется практическими потребностями общества, в первую очередь задачами развития космической техники. Для того, чтобы обеспечить определение координат подвижного объекта (корабля, самолета, автомобиля, человека) в любом географическом районе Земли с погрешностью не более 5-10 метров, на борту спутников навигационных космических систем (ГЛОНАСС в России, GPS в США) установлены квантовые стандарты частоты с погрешностью 10-13 секунды. Причиной отклонения от цели головной части ракеты на 100 и более метров может оказаться ошибка в измерениях температуры топлива всего на 1С. Метрология как область практической деятельности по своей социальной значимости соизмерима с системами связи, транспорта, здравоохранения, торговли, обороны страны. Закон РФ "Об обеспечении единства измерений" направлен "на защиту прав и законных интересов граждан, общества и государства от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений". Применение непроверенных приборов или ошибочных методов измерений ведет к нарушению технологического процесса, браку продукции, потерям ресурсов, появлению предпосылок к аварийным ситуациям. Так, авария на Чернобыльской атомной электростанции в 1986 г. явилась следствием, в числе прочего, плохой организации измерений на станции. В различных странах были проведены исследования для определения экономической выгоды от затрат на метрологию, равных стоимости функционирования метрологической системы. Хотя точные обобщающие цифры отсутствуют, нет никакого сомнения в том, что выгода значительно превышает затраты. Например, по данным Национального института стандартов и технологий (NIST) США отношение затрат к выгодам при повышении точности измерений сопротивлений кремния в полупроводниковом производстве составило 1:37, а сертификация стандартных образцов для различных сортов бензина, проведенная в соответствии с "Законом о чистом воздухе" (1990 г.) и позволившая снизить в несколько раз неопределенность в измерениях, дает годовой экономический эффект 40 млн. долларов. Реализация современных высоких технологий невозможна без применения всего арсенала метрологии. Такие технологии требуют получения и переработки огромного объема измерительной информации, без которой их внедрение и применение не дают ожидаемого эффекта. Для осуществления процессов измерений широко применяется микропроцессорная техника и персональные ЭВМ, появились интеллектуальные средства измерений. Возросшая сложность превращает измерение в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. Измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методикам измерений. Методики измерений, предназначенные для выполнения прямых измерений, вносятся в эксплуатационную документацию на средства измерений. Результаты измерений должны быть выражены в единицах величин, допущенных к применению в РФ. Перечень таких единиц содержится в постановлении Правительства РФ "Единицы величин, допускаемые к применению на территории РФ". 2.2. Измеряемые свойства, их классификация Каждый объект измерения (объект окружающего мира) обладает некоторой совокупностью свойств. Свойство – это то, что присуще объекту, что отличает его от других объектов или делает похожими на них (твердость, цвет, шероховатость и т.д.). Различают существенные и несущественные свойства. Совокупность существенных свойств конкретного объекта выражает его качественную определенность. Измерению подлежат именно свойства, в связи с чем понятие "свойство" используется в определениях многих метрологических терминов. Свойство как философская категория отражает такую сторону объекта, которая обусловливает его общность или различие с другими объектами и обнаруживается в отношениях данного объекта к другим объектам. Отношением называют результат сопоставления однородных свойств разных объектов или различных сторон конкретного объекта. Совокупность проявлений какого-либо свойства образует множество, элементы которого находятся в определенных логических отношениях. Поэтому правомочно говорить о том, что свойство обладает определенной логической структурой. Огромное разнообразие известных свойств может быть упорядочено путем их многоуровневой классификации. На первом, общесмысловом уровне, свойства группируют в четыре класса: качественные, количественные, пространственно-временные, комбинированные свойства. Количественное свойство Качественное свойство Пространственно-временное свойство Комбинированное свойство Описывается множеством его проявлений, не обладающих количественными признаками. Количественные модели используются в многочисленных моделях идентификации и классификации: распознавания образов, качественного химического анализа, диагностирования, установления сортности и т.п. Обусловлено фундаментальным характером философских и естественно-научных представлений о времени и пространстве: - пространственные свойства; - временные свойства; - пространственно-временные свойства (описываются теорией относительности, имея в виду единую пространственно-временную среду). Описывается множеством проявлений, включающих в себя качественные, количественные и пространственно-временные свойства. Эти свойства, как правило, многомерны. Например, состояние погоды характеризуется совокупностью многих показателей. Описывается множеством его проявлений, и его принято называть величиной, конкретное проявление количественного свойства называют значением величины. Различают: - порядковые величины (числа твердости минералов; баллы силы ветра; баллы землетрясений по результатам разрушений; оценки знаний обучающихся и др.); - скалярные величины (счетные(целочисленные); пропорциональные; аддитивные; интервальные; относительные); - многомерные величины могут быть двухмерными, трехмерными и т.д. (импеданс – полное электрическое сопротивление; артериальное давление; тензора механического напряжения и др.) Оценка свойства (измерение величины) становится возможной только после установления шкалы измерений, отображающей логическую структуру модели этого свойства на систему условных знаков, баллов, чисел и т.п. Установление шкалы измерений свойства означает, по существу, соглашение о системе кодирования первичной измерительной информации о проявлениях данного свойства у разных объектов. Анализ состояния современной прикладной метрологии показывает, что большая часть рассмотренных групп свойств охвачена измерительной техникой. При этом имеются и необходимые средства для обеспечения единства измерений. 2.3. Области и виды измерений В связи с большим разнообразием измерений их классифицируют по областям измерений, то есть совокупностям измерений, свойственной какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой. Принято различать следующие области и виды измерений: 1. Геометрические измерения (длина, отклонения формы и расположения поверхностей, шероховатость, параметры сложных поверхностей, угловые измерения). 2. Механические измерения (масса, сила, крутящий момент, напряжения и деформации, твердость, параметры движения). 3. Измерения расхода, вместимости, уровня, параметров потока. 4. Измерения давления и вакуума. 5. Физико-химические измерения (вязкость, плотность, влажность, концентрация компонентов, электрохимические измерения). 6. Температурные и теплофизические измерения. 7. Измерения времени и частоты. 8. Электрические и магнитные измерения на постоянном и переменном токе (сила тока, напряжение, энергия, мощность, сопротивление и проводимость, емкость, индуктивность, добротность, параметры электрических и магнитных полей, магнитные характеристики материалов). 9. Радиоэлектронные измерения (интенсивность, параметры формы и спектра сигналов, параметры трактов, антенные измерения, измерения свойств веществ и материалов радиотехническими методами). 10. Виброакустические измерения (измерения параметров вибрации, акустические измерения в газообразной и жидкой среде, в твердых телах, аудиометрия и измерения уровня шума). 11. Оптические и оптико-физические измерения (световые измерения, энергетические параметры излучения, характеристики лазерного излучения, оптические свойства и характеристики материалов). 12. Измерения параметров ионизирующих излучений и ядерных констант. 13. Биологические и биомедицинские измерения. 2.4. Элементы измерительной процедуры Предметом метрологии является получение качественной или количественной информации о свойствах объектов окружающего мира путем измерения. Само измерение - сложная процедура, включающая целый ряд последовательных и взаимодействующих элементов. Совокупность и порядок следования элементов процедуры измерения конкретного свойства фиксируется в форме соответствующей методики выполнения измерений (МВИ). Начальным элементом всякого измерения является его задача (цель). Задача измерения в общем случае – это получение результата измерения требуемого качества, то есть необходимой точности и достоверности. Формулирование конкретной измерительной задачи осуществляется с учетом априорной (полученной до проведения самого измерения) информации об измеряемом объекте и его свойствах. Анализ априорной информации способен заранее определить характеристики предстоящего измерения, в том числе достижимый уровень его точности. Элементы измерительной процедуры представлены на рис. 2.2 Измерение Измеряемый объект (явление, процесс) Единица физической величины Средство измерения Физическая величина (физический параметр) Метод измерений Методика измерения Результат измерений Погрешности измерений Условия измерений Рис. 2.2. Основные элементы, участвующие в измерениях Объект измерения – это реальный объект (тело, вещество, явление, процесс), обладающий некоторой суммой свойств и находящийся в многосторонних и сложных связях с другими объектами. Субъект измерения (человек, выполняющий измерение) принципиально не может охватить объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Поэтому его взаимодействие с объектом измерения возможно только на основе модели объекта. Модель объекта измерения строится в соответствии с целью измерения на основе априорной информации об объекте и условиях измерения. Построение адекватной модели объекта измерения является сложной и неформализуемой задачей. Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений. Принцип измерения – научно описанное явление (или эффект), положенное в основу метода измерения. Например, при эталонных измерениях электрического напряжения используется эффект Джозефсона. При измерении температуры применяется термоэлектрический эффект, при измерении скорости – эффект Доплера. Средством измерений называют объект, воспроизводящий и (или) хранящий какую-либо часть шкалы измерений (точку, участок) и предназначенный для выполнения измерений. Большинство средств измерений являются конструктивно законченными техническими устройствами. Каждое средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики, которые оказывают влияние на качество результатов измерений. Своеобразным «средством измерений» является человек, который использует при органолептических измерениях свои органы чувств (осязание, обоняние, зрение, слух, вкус), интуицию – при эвристических измерениях, знания и навыки – при экспертных измерениях. Метод измерения – логическая последовательность операций, описанная в общем виде и применяемая для сравнения конкретного проявления свойства объекта со шкалой измерения этого свойства. Методы измерений весьма разнообразны и могут быть классифицированы по различным признакам. Зачастую методу измерения дается собственное название не потому, что он существенно отличается от известных методов, а лишь для удобства его практического использования. Например, методы непосредственной оценки, дифференциальный, противопоставления, замещения, совпадения, нулевой метод измерения являются, по существу, разновидностями метода сравнения с мерой. Важную роль в процессе измерения играют условия измерения - совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. К влияющим относят величины, не измеряемые в конкретной процедуре измерения, но оказывающие влияние на его результаты (температура, давление, влажность, частота и другие). Отклонение от нормальных условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения и средства измерений, что может вызвать дополнительную погрешность измерения. Измерительный эксперимент является центральным элементом процедуры измерения. В узком смысле – это отдельное измерение. В общем случае измерительный эксперимент содержит ряд последовательных операций по взаимодействию средства измерений с измеряемым объектом, получению, преобразованию и индикации сигналов измерительной информации, регистрации результатов наблюдений. Завершает процедуру измерения обработка экспериментальных данных, включающая проведение вычислений согласно принятому алгоритму, получение результата измерений, оценку его точности и достоверности, запись результата и его неопределенности (погрешности) в соответствии с установленной формой представления. 2.5. Методика выполнения измерений Для получения надежного результата измерения необходимого, как минимум, строго соблюдать определенную процедуру. Процедура измерения может быть описана либо в паспорте средства измерений, либо в специальном документе (разделе документа), называемом методикой выполнения измерений (МВИ). По своему смыслу любая методика представляет собой совокупность приемов и способов выполнения некоторого вида работы. Российский национальный стандарт ГОСТ Р 8.563-96 "ГСИ. Методики выполнения измерений" содержит такое определение МВИ: "Методика выполнения измерений (МВИ) - совокупность операций и правил, выполнение которых позволяет получить результат измерений с известной погрешностью". ГОСТ Р 8.563-96 относит к МВИ также методики количественного химического анализа (МКХА). Как видно из приведенного определения, под методикой выполнения измерений понимается технологический процесс измерения. Следует различать собственно МВИ и документ на МВИ. Не все методики следует описывать или регламентировать соответствующим документом. Например, документированные МВИ не требуются для простейших измерений с помощью показывающих приборов: линейных и угловых измерений, измерения давления с помощью манометра, измерений электрических величин щитовыми приборами и т.д. Аналогичное положение имеет место при выполнении многих видов измерений с помощью автоматизированных и автоматических средств измерений: информационно-измерительных систем, измерительно-вычислительных комплексов, информационных подсистем автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и т.п. В таких системах методики выполнения измерений "зашиты" в алгоритмах и программном обеспечении. Часть МВИ не содержит характеристик погрешности (неопределенности) измерений, поскольку они определяются в процессе измерения. Это имеет место в научных исследованиях, при проведении экспериментальных работ, когда имеют место разовые процессы, а также когда сама МВИ находится в стадии исследования. В подобных случаях документ на МВИ не оформляется. В зависимости от сложности и области применения документ на МВИ может быть: - отдельным документом (стандартом, инструкцией, рекомендацией); - частью документа (разделом стандарта, технических условий, конструкторского или технологического документа). Главным отличительным признаком документа на МВИ является гарантирование пределов погрешности измерения. Указание в документе, регламентирующем измерительную процедуру, гарантированной (известной, установленной, приписанной) погрешности является не столько данью официальным метрологическим требованиям, сколько важнейшим условием обеспечения на практике единства измерений. Без знания погрешности результата измерения невозможно обеспечить достоверность результатов контроля и испытания продукции, эффективность управления технологическим процессом и оборудованием. При разработке новых и пересмотре действующих МВИ следует применять основные положения новой серии стандартов ГОСТ Р ИСО 5725–2002 “Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений” (срок ввода в действие 1 ноября 2002г.). В странах ЕС серия из шести стандартов ИСО 5725–2002 отнесена к категории «мастер-стандартов». Предложенные в этих стандартах статистические модели процедур определения точности обязывают разработчиков методов выполнения измерений (испытаний, контроля, анализа) уделить пристальное внимание анализу измерительной задачи, свойствам объекта измерения, адекватности модели объекта, возможности достижения требуемой точности. Важным этапом разработки МВИ становится апробация ее в ряде лабораторий. Цель межлабораторных исследований - установление достоверных характеристик точности результатов измерений, проводимых по данной методике. Разработку методики выполнения измерений осуществляют на основе исходных данных, которые изложены в техническом задании, технических требованиях, отчетах о научно-исследовательских работах, других документах. Исходные данные на МВИ включают: назначение методики, требования к значению погрешности (неопределенности) результатов измерений, условия измерений, специфические требования. Документ на МВИ в общем случае содержит ряд разделов, наименования и последовательность которых стандартизированы (ГОСТ Р 8.563-96). Допускается исключать или объединять отдельные разделы, а также включать дополнительные разделы с учетом специфики конкретного измерения. На рис. 2.3 представлена структура документа на МВИ. Средства измерений, вспомогательные устройства, материалы, растворы Вводная часть Требования к погрешности измерений Метод измерений Требования безопасности, охрана окружающей среды Требования к квалификации операторов Условия измерений Подготовка к выполнению измерений Выполнение измерений Обработка (вычисление) результатов измерений Контроль точности результатов измерений Оформление результатов измерений Устанавливается назначение и область применения МВИ Устанавливаются числовые значения требуемых или приписанных характеристик погрешности (неопределенности) измерений Устанавливается перечень средств измерений и др. технические средства, применяемые при выполнении измерений Приводится описание приемов сравнения оцениваемого свойства (измеряемой величины) со шкалой измерений Устанавливает требования, обеспечивающие безопасность и охрану труда, окружающей среды и др. Устанавливаются требования к уровню квалификации лиц, которые могут быть допущены к выполнению по измерению и обработке результатов Содержится перечень влияющих величин, их характеристики, включая и временные, и др. Прописываются подготовительные работы, которые должны быть выполнены перед выполнением непосредственно измерений Устанавливается описание операций процедуры измерений, их объем, последовательность, периодичность и количество Содержится описание способов обработки и получения результатов измерений Содержит указания о формах и периодичности проведения оценки значений погрешностей (нормативы, методы, средства, план контроля) Устанавливаются требования к форме представления результатов измерений, вид носителя и др. Документ удостоверяет оператор, а иногда и руководитель организации Рис. 2.3. Структура документа на МВИ В соответствии с Законом РФ "Об обеспечении единства измерений" методики выполнения измерений, используемые в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора (ГМКиН), должны быть аттестованы. Аттестацией МВИ называют процедуру подтверждения ее соответствия предъявляемым метрологическим требованиям. Основная цель аттестации – установление возможности проведения измерения в соответствии с МВИ с погрешностью, не превышающей указанную в документе на МВИ (требуемую или приписанную погрешность). Естественно, что методика выполнения измерений, в которой отсутствует указание о погрешности измерения, не может быть аттестована. Аттестация может быть проведена на основе результатов метрологической экспертизы или исследования МВИ – теоретического или экспериментального. Аттестация МВИ, как и ее метрологическая экспертиза, осуществляется в государственном научном метрологическом центре (ГНМЦ) соответствующего профиля. Метрологическая экспертиза МВИ включает анализ и оценку выбора методов и средств измерений, операций и правил проведения самих измерений и обработки результатов. Метрологическая экспертиза может быть заменена или дополнена исследованием методики в том же ГНМЦ. При положительном результате аттестации МВИ оформляется свидетельство об аттестации. В дальнейшем органы государственной метрологической службы осуществляют метрологический надзор за аттестованными методиками выполнения измерений с целью их дальнейшего совершенствования. Если в качестве документа на МВИ оформляется государственный стандарт, то кроме процедуры аттестации такой документ проходит все операции, установленные для разработки и утверждения стандартов. Для методики выполнения измерений, которая не используется в сферах распространения ГМКиН, метрологическая экспертиза или аттестация проводятся в соответствии с порядком, установленным в отрасли или на предприятии. Метрологический надзор за такой МВИ осуществляет метрологическая служба юридического лица, применяющего данную методику выполнения измерений. 2.6. Классификация измерений N n/n Характерные признаки 1 По способу получения информации 1.1 1.2 1.3 1.4 Прямые измерения При которых искомое значение физической величины определяют непосредственно путем сравнения с мерой этой величины (примеры: рулетка, термометр и др.) При которых искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, связанных с искомой известной функциональной зависимостью (примеры: измерение плотности тела, мощности электрооборудования и др.) Косвенные измерения Совместные измерения Совокупные измерения При которых проводятся одновременно измерения нескольких однородных величин с определением искомой величины путем решения системы уравнений При которых проводятся измерения неоднородных физических величин с целью нахождения между ними зависимости 2 По характеру изменения получаемой информации в процессе измерения 2.1 2.2 Динамические измерения В процессе которых измеряемая величина изменяется. К ним относятся измерения параметров периодических и апериодических сигналов и т.п. Особенностью динамических измерений является то, что результат измерений изменяющейся во времени величины представляется совокупностью ее значений с указанием моментов времени, которым эти значения соответствуют. В иных случаях результат динамического измерения может быть представлен некоторым усредненным числовым значением Которые проводятся при практическом постоянстве измеряемой величины Статические измерения N n/n Характерные признаки 3 По количеству измеряемой информации 3.1 3.2 Однократные измерения При которых число измерений равняется числу измеряемых величин (если измеряется одна величина, то измерение проводится один раз). Следует отметить, что такой подход не всегда оправдан При которых число измерений превышает число измеряемых величин в n/m раз, где m – число измеряемых величин, n – число измерений каждой величины. Обычно для многократных измерений n ≥ 3 Многократные измерения 4 По отношению к основным единицам 4.1 4.2 Относительные измерения Абсолютные измерения При которых проводится измерение отношения величины к однородной величине, играющей роль единицы, или измерение величины по отношению к однородной величине, принимаемой за исходную (например, добыча нефти в баррелях и т.п.) При которых результат измерений основывается на применениях одной или нескольких основных величин и (или) исследовании физических констант (например, измерение энергии  является абсолютным измерением, т.к. m – относится к основным величинам, а c – является физической константой, или  и т.п.) |